[发明专利]一种三维自动焊接系统及其焊接控制方法

权利要求书

1.一种三维自动焊接系统，其特征是它主要包括由焊枪运行机构、控制柜（21）、焊机和送丝机，所述的焊枪运行机构包括摆动机构、升降驱动机构、直行机构和底座（1），摆动机构的运动方向、升降驱动机构的运动方向和直行机构的运动方向分别对应三维直角坐标轴的X轴方向、Z轴方向和Y轴方向，所述直行机构位于底座（1）的上部，在直行机构上设有直行驱动装置，直行驱动装置驱动直行结构沿着底座（1）上部设有的两横向滑轨Ⅰ（2）在Y轴方向作往复运动，在直行机构设有的支架（3）侧面设有升降驱动机构，在升降驱动机构的侧面设有摆动机构，升降驱动机构驱动摆动机构沿着直行机构侧面设有的竖直方向的滑轨Ⅱ（4）在Z轴方向作升降运动，摆动机构的侧面设有摆动驱动装置，摆动驱动装置驱动摆动机构在X轴方向作往复运动，在摆动机构上安装有焊枪夹持器（5），焊枪放置在焊枪夹持器（5）内随着摆动机构运动，所述的控制柜（21）内设有PLC控制器（6），PLC控制器（6）的输入端与控制设备连接，PLC控制器（6）的输出端分别与直行驱动装置的驱动器、升降驱动机构的驱动器、摆动驱动装置的驱动器、焊机的焊枪启动开关和送丝机的启动开关连接，PLC控制器（5）用于控制直行驱动装置、升降驱动机构和摆动驱动装置的工作和复位以及焊机和送丝机的自动控制，焊机与焊枪连接。

2.根据权利要求1所述的三维自动焊接系统，其特征是所述的两横向滑轨Ⅰ（2）对称设置在底座（1）上，直行机构设有的支架（3）底部位于两横向滑轨Ⅰ（2）上，所述的直行驱动装置包括直行电机（7）、直齿圆柱齿轮和齿条，直行电机（7）为步进电机，直行电机（7）的输出端依次通过直齿圆柱齿轮和齿条与支架（3）组成传动连接，直行驱动装置驱动支架（3）在横向滑轨Ⅰ（2）上作Y轴方向往复运动。

3.根据权利要求2所述的三维自动焊接系统，其特征是所述的升降驱动机构包括升降电机（8）和竖直滚珠丝杠副Ⅰ（9），升降电机（8）为步进电机，所述的升降电机（8）位于直行机构的支架（3）顶部，竖直滚珠丝杠副Ⅰ（9）对应三维直角坐标轴的Z轴方向，升降电机（8）与竖直滚珠丝杠副Ⅰ（9）为传动配合，两竖直方向的滑轨Ⅱ（4）在竖直方向对称设置在支架（3）的侧面，所述的摆动机构上与支架（3）的侧面相对的位置对称设有两滑块Ⅱ（10），两滑块Ⅱ（10）与两滑轨Ⅱ（4）相配合，摆动机构通过滑轨Ⅱ（4）与滑块Ⅱ（10）的配合在支架（3）的侧面上下移动，竖直滚珠丝杠副Ⅰ（9）与摆动机构为传动配合连接，升降电机（8）驱动竖直滚珠丝杠副Ⅰ（9）转动，竖直滚珠丝杠副Ⅰ（9）带动摆动机构沿着滑轨Ⅱ（4）作Z轴方向的升降运动。

4.根据权利要求1或3所述的三维自动焊接系统，其特征是所述的摆动机构包括滑轨支撑座（11）和夹持器固定板（12），两滑块Ⅱ（10）设置在滑轨支撑座（11）背面，滑轨支撑座（11）与竖直滚珠丝杠副Ⅰ（9）为传动配合连接，在滑轨支撑座（11）的上部和下部对称设有水平滑轨Ⅲ（13），夹持器固定板（12）的背面上部和下部分别对称的设有滑块Ⅲ（14），所述的摆动驱动装置包括水平滚珠丝杠副Ⅱ（15）和摆动电机（16），水平滚珠丝杠副Ⅱ（15）对应三维直角坐标轴的X轴方向，摆动电机（16）为步进电机，摆动电机（16）与水平滚珠丝杠副Ⅱ（15）为传动连接，水平滚珠丝杠副Ⅱ（15）与夹持器固定板（12）的背面为传动连接，摆动电机（16）通过水平滚珠丝杠副Ⅱ（15）驱动夹持器固定板（12）在滑轨支撑座（11）的水平滑轨Ⅲ（13）上作X轴方向的摆动。

5.根据权利要求1所述的三维自动焊接系统，其特征是所述的控制设备包括工作按钮、X/Y/Z轴三个方向的原点接近开关和两侧的极限限位开关，PLC控制器（6）的输入端与工作按钮、X/Y/Z轴三个方向的原点接近开关和两侧的极限限位开关连接，PLC控制器（6）的输出端连接有指示灯（18）、报警器（19）、直行电机的驱动器、升降电机的驱动器、摆动电机的驱动器，在PLC控制器（6）的通讯端口连接有MCGS触摸屏（20），MCGS触摸屏（20）与PLC控制器（6）的通讯端口为双向通讯连接。

6.根据权利要求1或5中所述的三维自动焊接系统，其特征是所述的PLC控制器（6）设置为S7-200 SMART PLC控制器。

7.根据权利要求1所述的三维自动焊接系统，其特征是所述的焊机设置为气体保护手工焊机。

8.一种利用上述三维自动焊接系统进行焊接的控制方法，它包括以下步骤：当处于自动控制模式：首先给控制柜（21）上电，调节转至自动模式，按控制柜（21）面板上的工作按钮的启动按钮（17），PLC控制器（6）进入自动工作模式状态：首先检查升降电机（8）是否到达电气零点，如果升降电机（8）没有到达电气零点，则升降电机（8）运行继续寻找直至到达电气零点，到达电气零点后， PLC控制器（6）控制升降驱动机构的驱动器驱动升降电机（8）运行至相应焊接层，焊接层从第0层开始计，检查是否至所需焊接层；同时控制摆动驱动装置的驱动器驱动摆动电机（16）运行至摆动中心，检查是否到达摆动中心；同时控制直行驱动装置的驱动器驱动直行电机（7）运行至电气零点，检查是否处于电气零点，当升降电机（8）运行至要求焊接层、摆动电机（16）运行至摆动中心、直行电机（7）运行至电气零点后，打开焊机进行引弧作业，引弧时间为t1秒，t1为2秒，t1秒时间到则PLC控制器（6）控制直行电机（7）按设定速度前行，控制摆动电机（16）按设定摆动参数摆动和控制焊机进行焊接操作，当直行电机（7）行走的焊缝长度符合要求后，焊缝长度为L，则焊接层数自动加1、控制摆动电机（16）停摆以及控制焊机进行收弧，收弧时间为t2秒，t2为2秒，t2时间到且检查已焊接的层数小于设定的焊接层数，则PLC控制器控制升降电机（8）反向运行回电气零点，开始新一层焊接控制循环；如果已焊接层数等于设定层数，则停止焊接，自动模式结束；

处于手动控制模式：控制柜（21）上电，转换开关转至手动， PLC控制器（6）进入手动工作模式状态：首先复位，PLC控制器（6）控制升降驱动机构的驱动器驱动升降电机（8）运行至电气零点，检查是否到达电气零点，如果升降电机（8）没有到达电气零点，则升降电机（8）继续运行寻找电气零点，到达电气零点后，PLC控制器（6）控制摆动驱动装置的驱动器驱动摆动电机（16）运行至摆动中心，检查是否到达摆动中心；同时控制直行驱动装置的驱动器驱动直行电机（7）运行至电气零点，检查是否处于电气零点，当摆动电机（16）至摆动中心、直行电机（7）至电气零点，按升降按钮，PLC控制器（6）控制升降驱动机构的驱动器驱动升降电机（8）运行至相应焊接层，首次转入手动运行时，相应焊接层为非手动模式下已完成焊接的层数+1或者为0+1层；非首次手动运行，相应焊接层为前一次焊接层数+1层，检查是否到达焊接层，当升降电机（8）到达焊接层后，若上层焊接为正常结束，则直接按启动按钮；若上层焊接为非正常结束，整道焊缝只焊接了一部分而没有全部焊完，则按“点动”按钮，通过PLC控制器（6）控制直行电机首先运行至上层停焊位置，然后再按启动按钮（17），按动启动按钮（17）后，打开焊机进行引弧作业，引弧时间为t1秒，t1为2秒，t1秒时间到则PLC控制器（6）控制直行电机（7）按设定速度前行，控制摆动电机（16）按设定摆动参数摆动和控制焊机（9）进行焊接操作，当直行电机（7）行走的焊缝长度符合要求后，焊缝长度为L，则焊接层数自动加1、PLC控制器（6）控制摆动电机（16）停摆以及控制焊机进行收弧，收弧时间为t2秒，t2为2秒，t2时间到则本层手动焊接停止，按复位，则进入下一层手动焊接操作，在手动控制模式下，开始正式焊接前，PLC控制器（6）会自动判断本层焊接直行电机需要行走的距离S，S的计算公式为：

S= L1—L2；

L1=L0+S；

S：本层焊接直行电机需要行走的距离；

L：焊缝长度；

L0：直行电机电气零点的绝对位移；

L1：直行电机正常焊接本层时需前进的绝对位移；

L2：直行电机在上层焊接时已行走的绝对位移。